В данной диссертации рассматриваются современные топологии и методы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях

4 Экспериментальные исследования

4.1 Построение модели беспроводной сенсорной сети

На сегодняшний день не достаточно изучено совместное использование нескольких алгоритмов в маршрутизации передаваемой информации.
Далее представлена модель БСС и описание процесса передачи сообщений с использованием двух алгоритмов: Geographical Energy Aware Routing (GEAR), алгоритм распределения нагрузки.
Для проведения эксперимента использовалась программа для построения моделей сенсорных сетей OMNet++ [21]. При построении модели сенсорной сети применялись технические характеристики реально существующих сенсорных узлов TelosB. Сенсорный узел TelosB состоит из микроконтроллера TI MSP430 и приемопередатчика TPR2400, который позволяет передавать сообщения на расстояние 75-100 м. Потребляемая мощность при приеме сообщения 69 мВт, при передаче – 62 мВт, в режиме сна – 3 мкВт. Также в составе сенсорного узла есть ОЗУ с объемом памяти 10 кб. В качестве основы для моделирования выбрано сенсорное поле 30 на 30 метров, на котором случайным образом размещаются узлы сенсорной сети.

Рисунок 4.1 – Построенная модель в OMNet++
На рисунке 4.2 представлена модель БСС.

Рисунок 4.2 – Модель сенсорной сети.
Работа модели осуществляется в последовательности, изложенной ниже. От датчиков 1 на интерфейс 2 поступают измерительные сигналы. С выхода интерфейса 2 указанные сигналы поступают на вход шлюза-маршрутизатора на передающей стороне 3, включающий микропроцессор 4 с таблицей маршрутизации, управляющий последовательно соединенными блоками памяти 5, фрагментации 6, инкапсуляции 7. Непосредственно с интерфейса 2 посылки кадров поступают на блок памяти 5, включающий коммутатор, схему приоритетов, схему прерывания и другие электронные компоненты оперативного управления и исполнения кодовых посылок, выполняемых по программе микропроцессора 4. С выхода блока памяти 5, указанные кадры последовательно проходят через блоки фрагментации 6 и инкапсуляции 7. Указанные блоки данных, с выхода шлюза-маршрутизатора 3, поступают в точку доступа 8 на передающей стороне и по радиоканалу проходят в сенсорной сети 9 к точке доступа 10 на приемной стороне.
На приемной стороне, от точки доступа 10 кадры поступают на вход шлюза-маршрутизатора на приемной стороне 11, включающий микропроцессор 12 с таблицей маршрутизации, управляющий последовательно соединенными блоками декапсуляции 13, дефрагментации 14 (обратное преобразование) и преобразования протоколов кодирования 15. В блоке преобразования протоколов и кодирования 15 осуществляется преобразование входящих информационных кадров, отображающих данные результатов измерений, выполненных датчиками 1. Далее происходит передача информационных потоков от шлюза-маршрутизатора на приемной стороне 11 (непосредственно с блока 15) в сервер 16.
В сервере 16 формируются команды на управление объектами, коррекцию режимов работы отдельных блоков, а также архивирование данных.

4.2 Разработка алгоритма маршрутизации

Протокол GEAR использует географическую и энергетическую выборку соседних узлов для маршрутизации пакета к целевой области. Процесс пересылки пакета к области включает в себя выбор соседнего узла, который находится ближе к месту назначения среди всех соседей; когда все соседи далеко, выбирается сосед, который сводит к минимуму функцию, которая вычисляется как
, (4.1)
где D - расстояние до соседнего узла; Е - остаточная энергия узла.

Рисунок 4.3 – Маршрутизация по протоколу GEAR
Есть несколько узлов, расположенных вблизи контроллера. Любые данные, поступающие в и из контроллера проходят через эти узлы. Если протокол маршрутизации может обеспечить равномерное распределение нагрузки на все эти узлы, это в значительной степени увеличить время жизни сети. Этот протокол пытается увеличить время жизни сети, сохраняя энергетический баланс узлов, используемых наиболее часто. Этот протокол может быть использован с любым протоколом маршрутизации и любое количество узлов могут быть включены в протокол. Протокол может быть расширен до ближайших соседей, соседей дальнего уровня, в зависимости от требования сети. Этот алгоритм устраняет различия в энергетических уровнях узлов, которые приводят к раздробленности сети. Если нагрузка равномерно распределяется между узлами, часто используемые узлы сети смогут обеспечить лучшую связь. Алгоритм основан на том, что некоторые из узлов вокруг базовой станции будут обрабатывать намного больше трафика, чем другие узлы в сети. Таким образом, если нагрузка могут быть распределены равномерно для этих узлов, мы можем увеличить время жизни сети. Первый шаг заключается в выявлении областей, в которых узлы, вероятно, обрабатывают значительно большее число сообщений по сравнению с другими узлами сети.
Теперь, если контроллер посылает запрос для области А. Сетевой уровень может вполне сформировать маршрут запроса от контроллера к региону через узел 1 к узлу 7 , а затем к области А. Если запрос требует, чтобы данные направлялись длительное время через узел 1, то батарея, в конечном счете сядет. Если контроллер посылает еще один запрос для области Б. Регион B может быть расположен так что к нему можно подключиться только через узел 1. Это приведет к разделению сети поскольку область В доступна только через узел 1, батарея истощается. Так как батареи для всех узлов сети ограничены протокол маршрутизации может попытаться использовать другие узлы всякий раз, когда это возможно и таким образом увеличить время жизни сети.
Алгоритм распределения нагрузки. Базовая станция отмечает все узлы в своей окрестности N, отправляя сообщения, которые рекурсивно разосланы до N. N+1 окрестности базовой станции помечается как вторичные узлы кластера. При отправке обратно пакеты от вторичных узлов кластера одинаково распределяют нагрузку. В следующем БСС показан алгоритм распределения нагрузки для соседнего узла. Протокол GEAR используется с направленной диффузией. Семь узлов распределены, как показано на рисунке
4.4.

Рисунок 4.4 – Маршрутизация по алгоритму распределения нагрузки
Сначала рассмотрим случай, когда распределение нагрузки в важных узлах не используется. Первый Query1 запрос идет от узла в (1,0) в регион вокруг узла (20, 30) и после некоторого времени второй запрос Query2 идет от узла (1,0) в области вокруг узла (0,30). Путь запроса и пакетов данных Query1 выглядит следующим образом: (1,0) - (2,10) - (11,20) - (20,30).
Как показали результаты моделирования, показано на рисунке 2 синей линией, если начальный уровень энергии батареи составляет 2000 и каждый пакет данных проходя через узел потребляет 20 единиц энергии аккумулятора, то после 70 пакетов данных батарея была бы истощена. При этом есть еще один Query2 запрос от (1,0) до (0,30). Этот запрос также следует по протоколу
GEAR. Путь следующий: (1,0) - (2,10) - (0,20) - (0,30). Но, так как узел (2,10) уже исчерпал питание от батареи, узел скоро отключится. После того, как узел (2,10) отключится, нет пути, по которому Query2 может получить данные по региону вокруг (0,30). Таким образом, мы получаем раздробленную сеть.
Теперь рассмотрим ту же сеть и тот же протокол маршрутизации вместе с алгоритмом распределения нагрузки. Первый запрос Query1 идет от узла на (1,0) в области вокруг узла (20,30) и после некоторого времени второй Query2 запрос идет от узла (1,0) в регион узла (0,30) . Путь, проходимый запросами и пакетами данных для Query1 (1,0) - (2,10) - (11,20) - (20,30) и (1,0) - (11,10) - (11,20) - (20,30). Перед тем, как запрос инициирован, узел контроллера (1,0) отмечает узлы в пределах первого кластера. В этом случае (2,10) и (11,10). Когда Query1 достигает узла (11,20), он также отмечается как вторичный узел кластера. Пакеты данных начинают возвращаться из области вокруг (20,30). Когда они достигают (11,20), сообщения маяков отправляются, чтобы достигнуть всех отмеченные узлов, которые являются соседями (11,20). В этой сети (2,10) и (11,10) являются соседями (11,20). Так пакеты данных альтернативно отправляются на (2,10) и (11,10), как показано на рисунке 16. Таким образом, гарантируется, что даже после 70 пакетов узел (2,10) является на половину полным.
На построенной модели были проведены 2 эксперимента.
Эксперимент 1. Передача сообщений от сенсорных узлов к базовой станции по протоколу GEAR и алгоритму распределения нагрузки.
Для проведения эксперимента базовую станцию размещается в центре сенсорного поля, соответственно предложенная модель описывает сеть вокруг одного узла сбора данных. На данной территории случайным образом размещается 50 датчиков и в случайный момент времени они начинают передавать сообщения с заданной частотой. При выборе времени начала передачи сообщений также выбирается количество передаваемых сообщений (от 20 до 200), частота повторной передачи - 30 секунд.
На базовой станции определяется количество доставленных сообщений. Далее определяется отношение количества доставленных сообщений к количеству отправленных сообщений. Отношение характеризует продолжительность времени жизни сети. Было проведено 5 замеров, результаты которых представлены на рисунках 4.5 и 4.6 (1,2,3,4,5 – замеры количества сообщений).

Рисунок 4.5 – Влияние количества передаваемых сообщений на время жизни сети (протокол маршрутизации GEAR)

Рисунок 4.6 – Влияние количества передаваемых сообщений на время жизни сети (протокол маршрутизации GEAR и алгоритм распределения нагрузки)
Из рисунков 4.5 и 4.6 видно, что увеличение количества передаваемых сообщений приводит к уменьшению процента доставленных сообщений, следовательно, к уменьшению времени жизни сети.
Для сравнения результатов экспериментов определена оценка математического ожидания выборок, приведенных на рисунках 4.5 и 4.6.

Рисунок 4.7 – Оценка математического ожидания влияния количества передаваемых сообщений на время жизни сети (протокол маршрутизации
GEAR и алгоритм распределения нагрузки)
Из рисунка 4.7 видно, что использование алгоритма распределения нагрузки позволяет увеличить процент доставленных сообщений, следовательно, увеличить время жизни сети.
Эксперимент 2. Определение количества необходимых сообщенийзапросов при использовании протокола GEAR и алгоритма распределения нагрузки.
В ходе эксперимента моделируется процесс передачи сообщенийзапросов для определения активности всех узлов сети. В таблице 4.1 представлено количество передаваемых сообщений-запросов при разной плотности узлов сенсорной сети.
Таблица 4.1 – Количество передаваемых сообщений-запросов при разной плотности узлов сенсорной сети (протокол маршрутизации GEAR)

Количество узлов в сенсорной сети	Количество переданных сообщений
	Без использования алгоритма распределения нагрузки	С использованием алгоритма распределения нагрузки
9	356	371
16	421	439
20	487	506
30	510	535
40	582	603
50	658	693

Из таблицы 4.1 видно, что использование алгоритма распределения нагрузки увеличивает количество передаваемых сообщений-запросов, а это отрицательно сказывается на загруженности сети и увеличивает энергопотребление сенсорных узлов.

4.3 Расчет времени жизни узлов сенсорной сети

Возьмем следующие исходные данные.
Таблица 4.2 - Исходные данные

Параметр, единица измерения (обозначение)	Значение
Начальная энергия узла, кДж (E0)	20
Размер передаваемого пакета, байт (L)	50
Период выхода в активный режим, с (tc)	2
Частота работы процессора, МГц (fproc)	16
Среднее количетсво элементарных операций в одной команде (C)	3
Общее количество команд в алгоритме обработки данных (M)	5000
Вероятность ошибки при передаче (perr)	0,1
Максимальное число повторных передач (N)	3
Среднее значение коэффициента случайной задержки (R)	3
Мощность в режиме приема, мВт (Prx)	52
Мощность в режиме передачи, мВт (Ptx)	45
Мощность в активном режиме, мВт (Pa)	20
Мощность в режиме сна, мВт (Ps)	0,03
Время выхода из режима сна, мВт (tr)	8
Канальная скорость передачи данных, кбит/с (f)	250
Размер служебных полей пакета, байт (O)	17

Оконечное устройство.
Время, затрачиваемое непосредственно на передачу данных
. (4.2) Время, затрачиваемое на весь процесс передачи кадра
. (4.3)
Время с учетом повторных передач
. (4.4)
Средняя мощность в процессе передачи кадра
. (4.5)
Время, затрачиваемое на обработку данных и выход из режима сна
. (4.6)
Средняя мощность, потребляемая устройством
. (4.7)
Время жизни оконечного устройства
. (4.8)
Для сравнения
. (4.9)
Возьмем ретранслятор, обрабатывающий потоки от оконечных устройств, работающих по схеме, рассмотренной выше. В этом случае 0, 5 для каждого подключенного устройства.
Доля времени, проводимого в режиме приема данных
. (4.10)
Доля времени, проводимого в режиме передачи данных
. (4.11)
Мощность, потребляемая ретранслятором
. (4.12)

при . Время жизни ретранслятора в таком случае будет равно:
Выводы.
В ходе экспериментальных исследований было установлено:

• 
  использование протокола маршрутизации GEAR совместно с алгоритмом распределения нагрузки позволяет увеличить время жизни сети;
  
• 
  совместное использование алгоритмов требует передачу большего количества сообщений запросов, что увеличивает загруженность сети и увеличивает энергопотребление сенсорных узлов;
  
• 
  полученные результаты могут быть использованы при разработке гибридных протоколов маршрутизации в сенсорных сетях.